Г Л А В А ЧЕТВЕРТАЯ СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ 4. 1. Режимы работы синхронных машин
В СМ частота вращения ротора равна синхронной частоте вращения магнитного поля. Из модели обобщенной ЭМ синхронные машины можно получить, если к обмоткам статора подвести переменный ток, а к обмоткам ротора – постоянный ток (рис. 4. 1) (рис. 1. 10 – в лекциях предыдущего семестра).
Процессы преобразования энергии происходят так же, если в обмотках ротора протекают переменные токи, а на статоре находятся обмотки, в которых протекают постоянные токи. Такие машины называются обращенными.
СМ работают в трех режимах: генераторном, двигательном и в режиме синхронного компенсатора. Наиболее распространенным режимом работы СМ является генераторный режим. На тепловых и атомных электростанциях эксплуатируются турбогенераторы мощностью 1200 МВт на 3000 об/мин и 1600 МВт на 1500 обмин (турбогенераторы – это неявнополюсные ЭМ).
СГ для дизель-генераторных установок имеют мощность от сотен до десятков тысяч киловатт. В режиме двигателя СМ используются в качестве приводных двигателей насосов, вентиляторов, компрессоров, воздуходувок.
Синхронные микродвигатели широко применяются в различных ЭП. В больших количествах выпускаются двигатели. В которых для создания поля возбуждения применяются постоянные магниты. СД мощностью в десятки к. Вт выпускаются в небольших количествах из-за плохих пусковых свойств и склонности к качаниям.
Одним из основных достоинств СМ является то, что они могут быть источниками реактивной мощности. Если АМ для создания поля потребляют из сети реактивную мощность, то СМ в зависимости от степени возбуждения выдают в сеть или потребляют из сети реактивную мощность.
СМ, работающие в режиме генераторов или потребителей реактивной мощности, называются синхронными компенсаторами. Синхронные компенсаторы выполняются на базе явно- и неявнополюсных СМ. Как и все ЭМ, синхронные машины обратимы.
Как правило, СГ и СД эксплуатируются с коэффициентом мощности 0, 8 -0, 9. При этом реактивная энергия поступает в сеть, если СМ работает при перевозбуждении.
Согласно ГОСТ и стандартам на турбо-, гидрогенераторы и синхронные компенсаторы к числу номинальных данных, выбиваемых на табличке, укрепленной на корпусе машины, относятся:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. номинальная мощность (для СГ и компенсаторов –полная мощность в к. ВА, для СД – мощность на валу в к. Вт) номинальный коэффициент мощность (при перевозбуждении) номинальный КПД (для СД) схема соединения обмоток номинальное (линейное) напряжение частота вращения частота тока якоря номинальный линейный ток якоря номинальное напряжение и ток обмотки возбуждения.
4. 2. Процессы преобразования энергии в СМ Схема неявнополюсной СМ основного исполнения приведена на рис. 4. 2. Обмотка якоря 1 расположена в пазах статора, а обмотка возбуждения 2 – на роторе. Демпферной обмоткой являются пазовые клинья и стальной массивный ротор 3.
В обращенной машине обмотка якоря расположена на вращающейся части, а ОВ – на статоре. Демпферная обмотка, представляющая собой медные сварные шины, укладывается в пазах полюсных наконечников. Недостатком обращенной конструкции является наличие щеточного аппарата. Рассчитанного на полную мощность машины.
Простейшую модель СМ можно получить из модели обобщенной машины если частоту вращения ротора приравнять частоте вращения магнитного поля. СМ имеют на роторе демпферную обмотку и ОВ. Поэтому СМ можно рассматривать как машину с одной обмоткой на статоре и двумя обмотками на роторе (рис. 4. 3)
При составлении уравнений СМ удобнее записывать их в системе координат d, q, связанных с обмотками ротора.
4. 3 Принцип действия СМ Различают два вида СМ: явнополюсная и неявнополюсная. Явнополюсная машина. Обмотка возбуждения создает магнитный поток возбуждения СМ (рис. 4. 5), который сцепляется с обмоткой якоря и индуктирует в ней ЭДС. При нагрузке обмотка якоря СМ она создает собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря.
В отличие от МПТ в СМ влияние реакции якоря на магнитный поток весьма значительно. Это обусловлено прежде всего тем, что в СМ в общем случае возникает также значительная продольная реакция якоря, усиливающая или ослабляющая поток полюсов. Кроме того, поле поперечной реакции якоря СМ также индуктирует значительную ЭДС в обмотке якоря.
Поэтому реакция якоря СМ оказывает весьма существенное влияние на характеристики и поведение СМ.
4. 4 Характеристики СГ Характеристика холостого хода. Определяет зависимость U=f(if ) при I=0 и f = fн. (рис. 4. 6, кривая 1). Характеристика короткого замыкания. Определяет зависимость I=f(if ) при U=0 и f = fн. (рис. 4. 6, кривая 2). Характеристика снимается при замыкании зажимов всех фаз обмотки якоря накоротко.
Внешняя характеристика определяет зависимость U = f( I ) при if = const, cos =const f = fн. и показывает как изменяется напряжение CМ при изменении нагрузки и неизменном токе возбуждения (рис. 4. 7). Регулировочная характеристика определяет зависимость if = f(I) при U = const и f = const и показывает как нужно регулировать ток возбуждения СГ, чтобы при изменении нагрузки его напряжение осталось неизменным (рис. 4. 8).
Нагрузочная характеристика определяет зависимость U = f(if ) при I = const и f = const и показывает как изменяется напряжение генератора с изменение тока возбуждения при условии постоянства тока нагрузки и коэффициента мощности рис. 4. 9).
4. 5 Параллельная работа СМ Благодаря наличию параллельно работающих генераторов достигается большая надежность энергоснабжения потребителей, снижение мощности аварийного и ремонтного резерва, возможность маневрирования энергоресурсами сезонного характера.
Все параллельно работающие СГ должны отдавать в сеть ток одинаковой частоты. Поэтому они должны вращаться синхронно. Условия синхронизации СГ. При включении СГ на параллельную работу с другими генераторами необходимо избегать чрезмерно большого толчка тока и возникновения ударных электромагнитных моментов и сил, способных вызвать повреждение генератора и другого оборудования, а также нарушить работу электрической сети или энергосистемы.
Поэтому необходимо отрегулировать надлежащим образом режим работы генератора на х. х. Перед его включением на параллельную работу и в надлежащий момент времени включить генератор в сеть. Совокупность этих операций называется синхронизацией генератора.
На электростанциях широко применяется способ грубой синхронизации или самосинхронизации СГ. При этом способе включения генераторов на параллельную работу частота вращения невозбужденного генератора доводится до примерно синхронной. А затем генератор подключается к сети при быстром вслед за этим включении возбуждения. После этого СГ сам втягивается в синхронизм под действием синхронизирующего момента.
При самосинхронизации имеют место сложные электромеханические переходные процессы. Кратковременно в обмотках машины протекают переходные токи, превышающие номинальные значения, что сопровождается механическими воздействиями на обмотки и муфты, соединяющие генератор с турбиной.
Способом самосинхронизации включаются на параллельную работу генераторы мощностью до 500 МВт. Влияние переходных процессов на надежность машин учитывается при проектировании СМ. При самосинхронизации сокращается время, необходимое для подключения генератора к сети, а это важно для обеспечения надежной и экономичной работы энергосистемы.
Условия включения на параллельную работу СГ: 1. Напряжение включаемого генератора должно быть равно напряжению сети или уже работающего генератора. 2. Частота генератора должна быть равна напряжению сети. 3. Чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково. 4. Напряжение генератора и сети должны быть в противофазе.
4. 6. Синхронные двигатели СД имеют по сравнению с АД преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током могут работать с коэффициентом мощности равным единицы и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть.
В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях. Максимальный момент СД пропорционален напряжению, а у АД – квадрату напряжения.
Поэтому при понижении напряжения СД сохраняет большую перегрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения в СД позволит увеличивать надежность их работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом.
С другой стороны, конструкция СД сложнее, чем АД с кзр, и кроме того, СД должны иметь возбудитель или иное устройство для питания ОВ постоянным током. Вследствие этого СД дороже АД с кзр. Пуск и регулирование СД также сложнее, чем АД.
Тем не менее, преимущество СД настолько велико, что при мощностях более 300 к. Вт их целесообразно применять всюду, где не требуются частых пусков и регулирования частоты вращения.
Способы пуска СД. В большинстве случаев, при наличии короткозамкнутой обмотки, применяется асинхронный пуск. Кроме этого пуска применяют прямой пуск и пуск с помощью приводного двигателя.